CN114499257B - 一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，包括，采样PCC点电压，并网电流，直流母线电压；并网逆变器通过PLL获取PCC点电压相位；根据PLL锁得的PCC点电压相位及电流幅值信息获得并网电流参考值，将并网电流参考值加上主动注入的间谐波电流参考得到并网电流总的参考；通过离散傅里叶变换算法提取PCC点电压和并网电流中的谐波响应分量，从而评估出电网线路阻抗，进而得到线路电感值；根据评估出的线路电感值，虚拟出感值大于的线路负电感，将虚拟的负电感与并网电流之积反馈至电流环控制器，获得最终的调制信号将调制信号与载波信号作比较，生成PWM信号驱动逆变器开关管。

Description

一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电并网逆变器控制策略技术领域，尤其涉及一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法。

背景技术

近年来，随着传统化石能源日益枯竭、环境污染日益严重，光伏、风力、储能等新能源发电成为了全球关注的焦点。随着新能源发电的大量渗透以及分布式发电系统中存在着较长距离的传输线路，使得电网呈现出弱电网的特性。弱电网下，由于逆变器自身控制器设计不合理、PLL(锁相环)和PCC点(公共连接点)电压前馈等影响，会导致并网逆变器谐振失稳，逆变器谐振失稳会严重影响新能源发电系统的安全、稳定运行。

为提高弱电网下并网逆变器的稳定性，现有技术中如专利号为CN103545838B的中国专利公开的一种适用于弱电网接入条件下的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，在电流环路控制基础上，加入有源阻尼前馈控制，为电网阻抗补偿控制提供额外控制自由度，同时基于电网阻抗的实时检测实现控制参数的自适应调整与优化；具体由如下几个步骤所构成：(1)通过在基准电流上注入频率较高，幅值较小的谐波，造成并网电压和并网电流在该频率下的响应，从而测量出电网阻抗；(2)根据实时测量的电网阻抗量，计算出不同电网阻抗条件下的优化控制参数，以保障不同电网阻抗条件下的控制带宽与相角裕度，从而实现自适应变参控制目标；在步骤(2)中，针对LCL并网逆变器引入一种混合阻尼实时控制方案；当电网阻抗增大时，并网逆变器控制系统的控制带宽会明显降低；当电网感抗增大时，LCL滤波器的谐振峰增大；所以，对于电网阻抗变化的情况，必须采取相应的措施以调节带宽和抑制阻尼；调节带宽依据电网阻抗的测量结果适当增大PR调节器参数以实现；而抑制谐振采用的是电容电流前馈下的虚拟阻尼与实际阻尼电阻相结合的方式；为了同时兼顾系统效率与稳定性的要求，采用两者相结合的混合阻尼方案，即在选取合适的阻尼电阻之后，加入电容电流前馈，根据电网阻抗的检测值，通过自适应地动态调整反馈系数，使整个系统的稳定性和效率达到要求；(3)分别利用电流传感器和电压传感器检测并采样逆变器并网电流i。和逆变器输出电压ucc，DSP控制器针对逆变器并网电流i经过电流环PR得到的信号u，针对逆变器电容电流i经过比例环节得到的信号uc，然后进行运算得调制信号e，从而基于有源阻尼实现电网阻抗的补偿控制；(4)利用调制信号e与三角波交叠得到逆变器开关管的SPWM控制信号；(5)控制器判断电网阻抗信息是否发生改变：如果是，转入步骤(2)，否则，无操作。

上述专利提供的控制方法和通过控制带宽对逆变器的稳定性进行控制，但是此种方法会影响发电系统的动态性能。

此外现有技术中还有采用对PCC点电压前馈控制，加入相位和幅值校正的方法以提高并网逆变器的稳定性，相当于在逆变器输出阻抗中塑造并联的虚拟阻抗，但是此种方法的阻抗塑造效果依赖系统及PLL参数，具有一定的应用局限性；现有技术中还有在并网线路中串入额外的变换器对并网逆变器进行控制的方法，该方法会明显增加系统的成本，难以广泛适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，所提方法等效于在线路上串入负电感来抵消电网线路阻抗对系统的影响，由于所虚拟的负电感无需精确的电网线路电感信息和额外的变换器，因此所提方法没有额外增加系统成本，同时具有良好的鲁棒性。

一种低短路比下低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，包括：

步骤1、采样PCC点电压v_pcc，并网电流i_g，直流母线电压V_dc；

步骤2、并网逆变器通过PLL获取PCC点电压相位；

步骤3、根据PLL锁得的PCC点电压相位及电流幅值信息获得并网电流参考值i_gref，将并网电流参考值i_gref加上主动注入的间谐波电流参考i_k得到并网电流总的参考值I_gref；

步骤4、通过离散傅里叶变换算法提取PCC点电压和并网电流中的谐波响应分量，从而评估出电网线路阻抗Z_g；

步骤5、根据评估出的线路电感L_g值，虚拟出感值大于L_g的线路负电感-L_v，即：L_v>L_g，将虚拟的负电感与并网电流之积反馈至电流环控制器，获得最终的调制信号；

步骤6、将调制信号与载波信号作比较，生成PWM信号来驱动逆变器开关管。

其中，所述步骤4中通过DFT方法评估电网线路阻抗Z_g的包括如下步骤：

向并网电流参考中注入谐波次数为k的间谐波电流i_k，假设对应的PCC点电压和并网电流中谐波响应分量为： 计算得电网阻抗为：

式中，V_pcc(k)和I_gpcc(k)分别为PCC点电压和并网电流中谐波响应分量的幅值，和/>分别为PCC点电压和并网电流中谐波响应分量的相角；v_g为网侧电压；r_g和L_g为线路阻抗的阻性和感性成分，ω_k为谐波频率，j为虚数单位,/>和/>分为电压、电流相角的欧拉表达式。由式(1)展开可进一步得r_g和L_g的表达式如下：

其中，sin_uk和cos_uk分别为电压谐波分量相角的正弦和余弦值，sin_ik和cos_ik分别为电流谐波相角的正弦和余弦值。

通过离散傅里叶变换算法，可得PCC点电压和并网电流谐波响应分量分别为：

其中，N_m为采样周期次数，T_s为采样周期，n为中间变量。

所述步骤5中线路中虚拟负电感的过程如下：

步骤51、根据步骤4中所评估的线路电感L_g，虚拟感值大于等于L_g的负电感-L_v，即：L_v≥L_g；

步骤52、将步骤1中采样的并网电流i_g经过高通滤波器G_hpf(s)，实现并网电流的微分。其中高通滤波器表达式为：

其中τ为时间常数，s为复变量。

步骤53、将经过高通滤波器后的并网电流i_g与负电感-L_v的乘积反馈至电流环控制器。

与现有技术相比，本发明的有益之处至少包括：

(1)无需降低控制器或锁相环带宽，因此不会牺牲系统本身的动、稳态性能；

(2)无需精确知道线路电感值，只需虚拟的电感值大于线路电感即可保证系统稳定性，因此具有较强的鲁棒性。

(3)可有效解决逆变器系统在弱电网下由于锁相环及电网电压前馈等引入的负阻抗而导致的稳定性问题。

附图说明

图1为本发明实施例的低短路比下并网逆变器系统的整体原理图；

图2为本发明实施例考虑PLL及PCC点电压全前馈影响下的等效控制框图和等效电路图；

图3为考虑PLL及电网电压全前馈时并网逆变器输出等效阻抗与电网阻抗的频率特性图；

图4为在图3中情况下采用本发明所提方法时输出等效阻抗与等效电网阻抗的频率特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，低短路比下低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，包括：

步骤1、采样PCC点电压v_pcc，并网电流i_g，直流母线电压V_dc；

步骤2、并网逆变器通过PLL获取PCC点电压相位；

步骤3、根据PLL锁得的PCC点电压相位及电流幅值信息获得并网电流参考值i_gref，将并网电流参考值i_gref加上主动注入的间谐波电流参考i_k得到并网电流总的参考值I_gref；

步骤4、通过离散傅里叶变换算法提取PCC点电压和并网电流中的谐波响应分量，从而评估出电网线路阻抗Z_g；

步骤5、根据评估出的线路电感L_g值，虚拟出感值大于L_g的线路负电感-L_v，即：L_v>L_g，将虚拟的负电感与并网电流之积反馈至电流环控制器，获得最终的调制信号；

步骤6、将调制信号与载波信号作比较，生成PWM信号来驱动逆变器开关管。

其中，所述步骤4中通过离散傅里叶变换算法评估电网线路阻抗Z_g的包括如下步骤：

向并网电流参考中注入谐波次数为k的间谐波电流i_k，假设对应的PCC点电压和并网电流中谐波响应分量为： 计算得电网阻抗为：

式中，V_pcc(k)和I_gpcc(k)分别为PCC点电压和并网电流中谐波响应分量的幅值，和/>分别为PCC点电压和并网电流中谐波响应分量的相角；v_g为网侧电压；r_g和L_g为线路阻抗的阻性和感性成分，ω_k为谐波频率，j为虚数单位,/>和/>分为电压、电流相角的欧拉表达式。

由式(1)展开可进一步得r_g和L_g的表达式如下：

其中，sin_uk和cos_uk分别为电压谐波分量相角的正弦和余弦值，sin_ik和cos_ik分别为电流谐波相角的正弦和余弦值。

通过离散傅里叶变换算法，可得PCC点电压和并网电流谐波响应分量分别为：

其中，N_m为采样周期次数，T_s为采样周期，n为中间变量。

所述步骤5中线路中虚拟负电感的过程如下：

步骤51、根据步骤4中所评估的线路电感L_g，虚拟感值大于等于L_g的负电感-L_v，即：L_v≥L_g；

步骤52、将步骤1中采样的并网电流i_g经过高通滤波器G_hpf(s)，实现并网电流的微分。其中高通滤波器表达式为：

其中τ为时间常数，s为复变量。

步骤53、将经过高通滤波器后的并网电流i_g与负电感-L_v的乘积反馈至电流环控制器。

图2(a)为考虑PLL、电网电压全前馈及采用所提虚拟阻抗控制策略时并网逆变器系统的等效控制框图，其中T_pll(s)为同步旋转坐标系下锁相环(SRF-PLL)小信号模型，Z_p1(s)为PCC点电压全前馈等效的并联阻抗，Z_s1(s)为本方案提出的虚拟负阻抗；G_x1(s)和G_x2(s)分别为控制器传函，其表达式如(10)和(11)所示；图2中T_pll(s)，Z_p1(s)，Z_s1(s)，G_x1(s)和G_x2(s)的传递函数分别如下：

Z_s1(s)＝-L_vG_hpf(s) (9)

其中，ω₀为基波角频率，k_p,k_i为PLL比例积分控制器，G_d(s)为系统总延迟，K_pwm为系统增益，U_m为电网电压幅值，L₁,C,L₂分别为LCL滤波器逆变侧电感，滤波电容和网侧电感，H_i1和H_i2分别为电容电流和并网电流反馈增益，G_i(s)为电流环控制器，T_o(s)为逆变器环路增益，其表达式为：

图2(b)为考虑PLL、电网电压全前馈及采用所提虚拟阻抗控制策略时并网逆变器系统的等效电路图。采用本实施例提供的方法后，并网逆变器的等效输出阻抗为：

Z_oeq＝Z_o(s)//Z_pll(s)//Z_p1(s) (13)

其中，Z_o(s)为未考虑锁相环及PCC点电压前馈时逆变器输出阻抗，Z_pll(s)为考虑锁相环影响引入的并网阻抗，Z_o(s)表达如下：：

图3为考虑PLL、电网电压全前馈及采用所提虚拟阻抗控制策略时逆变器输出等效阻抗与电网阻抗的频率特性图，从图中可以看出由于PLL及电网电压前馈的影响，逆变器输出阻抗在低频段呈现出负阻抗。因此，当系统为弱电网时，根据阻抗稳定性判据可知系统易失稳。

图4为考虑PLL、电网电压全前馈的影响，同时加入所提虚拟阻抗控制策略时逆变器输出等效阻抗与电网阻抗的频率特性图。从图中可以看出，通过虚拟大于线路电感的负电感，从而等效为塑造线路阻抗，保证逆变器等效输出阻抗与等效线路阻抗在交截频率点处的相位差值在正负180度以内，因此系统是稳定的。

Claims (4)

1.一种低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、采样PCC点电压v_pcc，并网电流i_g，直流母线电压V_dc；

步骤2、并网逆变器通过PLL获取PCC点电压相位；

步骤3、根据PLL锁得的PCC点电压相位及电流幅值信息获得并网电流参考值i_gref，将并网电流参考值i_gref加上主动注入的间谐波电流参考i_kref得到并网电流总的参考值I_gref；

步骤4、通过离散傅里叶变换算法提取PCC点电压和并网电流中的谐波响应分量，从而评估出电网线路阻抗Z_g，进而得到线路电感L_g值，所述电网线路阻抗Z_g的评估包括如下步骤：

向并网电流参考中注入谐波次数为k的间谐波电流i_k，假设对应的PCC点电压和并网电流中k次谐波响应分量为： 计算得电网阻抗为：

v_pcc(k)和V_pcc(k)分别为PCC点电压中k次谐波响应分量的瞬时值和幅值；i_g(k)和I_gpcc(k)分别为并网电流中k次谐波响应分量的瞬时值和幅值，和/>分别为PCC点电压和并网电流中谐波响应分量的相角；v_g为网侧电压；r_g和L_g为线路阻抗的阻性和线路电感成分，ω_k为k次谐波角频率，j为虚数单位,/>和/>分为电压、电流相角的欧拉表达式；

进一步的，所述r_g和L_g的表达式如下：

其中，sin_uk和cos_uk分别为电压谐波分量相角的正弦和余弦值，sin_ik和cos_ik分别为电流谐波相角的正弦和余弦值；

步骤5、根据评估出的线路电感L_g值，虚拟出感值大于等于L_g的线路负电感-L_v，将虚拟的负电感与并网电流之积反馈至电流环控制器，获得最终的调制信号；

步骤6、将调制信号与载波信号作比较，生成PWM信号驱动逆变器开关管。

2.根据权利要求1所述的低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，其特征在于，通过离散傅里叶变换算法，可得PCC点电压和并网电流谐波响应分量分别为

其中，N_m为采样周期次数，T_s为采样周期，n为中间变量。

3.根据权利要求1所述的低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，其特征在于，步骤5中在线路上实现虚拟负电感包括如下步骤：

步骤51、根据步骤4中评估的线路电感L_g，虚拟感值大于等于L_g的负电感-L_v，即：L_v≥L_g；

步骤52、将步骤1中采样的并网电流i_g经过高通滤波器G_hpf(s)，实现并网电流的微分；

步骤53、将经过高通滤波器后的并网电流i_g与负电感-L_v的乘积反馈至电流环控制器。

4.根据权利要求3所述的低短路比下提高并网逆变器稳定性的控制方法，其特征在于，所述高通滤波器G_hpf(s)表达式如下：

其中，τ为时间常数，s为复变量。